En bedre måde at måle acceleration på

Du kører med hastighedsgrænsen ned ad en tosporet vej, når en bil tønner ud af en indkørsel til højre. Du slår på bremserne, og inden for en brøkdel af et sekund af stødet en airbag puster op, redder dig fra alvorlig skade eller endda død.

Airbaggen aktiveres takket være et accelerometer - en sensor, der registrerer pludselige ændringer i hastighed. Accelerometre holder raketter og fly på den korrekte flyvebane, levere navigation til selvkørende biler, og roter billeder, så de forbliver højre side opad på mobiltelefoner og tablets, blandt andre vigtige opgaver.

Adresserer det stigende behov for nøjagtigt at måle acceleration i mindre navigationssystemer og andre enheder, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et accelerometer på kun en millimeter tyk, der bruger laserlys i stedet for mekanisk belastning til at producere et signal.

Selvom et par andre accelerometre også er afhængige af lys, designet af NIST -instrumentet gør måleprocessen mere ligetil, giver større nøjagtighed. Det fungerer også over et større frekvensområde og er blevet testet mere stringent end lignende enheder.

Ikke alene er NIST -enheden, kendt som et optomekanisk accelerometer, meget mere præcis end de bedste kommercielle accelerometre, det behøver ikke at gennemgå den tidskrævende proces med periodiske kalibreringer. Faktisk, fordi instrumentet bruger laserlys med en kendt frekvens til at måle acceleration, det kan i sidste ende tjene som en bærbar referencestandard til kalibrering af andre accelerometre, der nu er på markedet, gør dem mere præcise.

Accelerometeret har også potentiale til at forbedre inertial navigation i sådanne kritiske systemer som militærfly, satellitter og ubåde, især når et GPS -signal ikke er tilgængeligt. NIST -forskere Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long og deres kolleger beskriver deres arbejde i journalen Optica .

Undersøgelsen er en del af NIST on a Chip, et program, der bringer instituttets banebrydende målevidenskabelige teknologi og ekspertise direkte til brugere i handel, medicin, forsvar og akademi.

Accelerometre, inklusive den nye NIST -enhed, registrere ændringer i hastighed ved at spore positionen for en frit bevægelig masse, kaldte "bevismassen, "i forhold til et fast referencepunkt inde i enheden. Afstanden mellem bevismassen og referencepunktet ændres kun, hvis accelerometeret bremser, fremskynder eller skifter retning. Det samme er tilfældet, hvis du er en passager i en bil. Hvis bilen enten er i ro eller bevæger sig med konstant hastighed, afstanden mellem dig og instrumentbrættet forbliver den samme. Men hvis bilen pludselig bremser, du bliver kastet frem, og afstanden mellem dig og instrumentbrættet falder.

Bevismassens bevægelse skaber et påviseligt signal. Accelerometeret udviklet af NIST -forskere er baseret på infrarødt lys for at måle ændringen i afstanden mellem to stærkt reflekterende overflader, der bogmærker et lille område med tomt rum. Bevismassen, som er ophængt af fleksible bjælker en femtedel af et menneskehårs bredde, så det kan bevæge sig frit, understøtter en af ​​de spejlede overflader. Den anden reflekterende overflade, som fungerer som accelerometerets faste referencepunkt, består af et ubevægeligt mikrofabrikeret konkavt spejl.

Sammen, de to reflekterende overflader og det tomme rum mellem dem danner et hulrum, hvor infrarødt lys med den helt rigtige bølgelængde kan resonere, eller hoppe frem og tilbage, mellem spejlene, bygger i intensitet. Denne bølgelængde bestemmes af afstanden mellem de to spejle, meget som tonehøjden på en plukket guitar afhænger af afstanden mellem instrumentets bånd og bro. Hvis bevismassen bevæger sig som reaktion på acceleration, ændre adskillelsen mellem spejlene, resonansbølgelængden ændres også.

For at spore ændringerne i hulrumets resonante bølgelængde med høj følsomhed, en stabil enkeltfrekvent laser er låst til hulrummet. Som beskrevet i en nylig publikation i Optik bogstaver , forskerne har også brugt en optisk frekvenskam - en enhed, der kan bruges som en lineal til at måle lysets bølgelængde - til at måle hulrumslængden med høj nøjagtighed. Linealens markeringer (kamens tænder) kan betragtes som en række lasere med bølgelængder med lige store mellemrum. Når bevismassen bevæger sig i en accelerationsperiode, enten at forkorte eller forlænge hulrummet, intensiteten af ​​det reflekterede lys ændres, når bølgelængderne forbundet med kamens tænder bevæger sig ind og ud af resonans med hulrummet.

Nøjagtig omdannelse af forskydningen af ​​bevismassen til en acceleration er et kritisk trin, der har været problematisk i de fleste eksisterende optomekaniske accelerometre. Imidlertid, teamets nye design sikrer, at det dynamiske forhold mellem forskydningen af ​​bevismassen og accelerationen er enkelt og let at modellere gennem de første fysiske principper. Kort sagt, bevismassen og støttebjælkerne er designet, så de opfører sig som en simpel fjeder, eller harmonisk oscillator, der vibrerer med en enkelt frekvens inden for accelerometerets driftsområde.

Denne enkle dynamiske reaktion gjorde det muligt for forskerne at opnå lav måleusikkerhed over en lang række accelerationsfrekvenser - 1 kilohertz til 20 kilohertz - uden nogensinde at skulle kalibrere enheden. Denne funktion er unik, fordi alle kommercielle accelerometre skal kalibreres, hvilket er tidskrævende og dyrt. Siden offentliggørelsen af ​​deres undersøgelse i Optica , forskerne har foretaget flere forbedringer, der skulle reducere deres enheds usikkerhed til næsten 1%.

I stand til at registrere forskydninger af bevismassen, der er mindre end hundrede tusindedele af et hydrogenatom, det optomekaniske accelerometer registrerer accelerationer helt ned til 32 milliarder af g, hvor g er accelerationen på grund af Jordens tyngdekraft. Det er en højere følsomhed end alle accelerometre nu på markedet med lignende størrelse og båndbredde.

Med yderligere forbedringer, NIST optomekaniske accelerometer kan bruges som en bærbar, referenceenhed med høj nøjagtighed til kalibrering af andre accelerometre uden at skulle bringe dem ind i et laboratorium.